vgbe energy journal 11 (2022) - International Journal for Generation and Storage of Electricity and Heat

Betriebsauswuchten als Maßnahme zur Optimierung des Dampfturbinenbetriebes
Bild 2. Schäden im Bereich von Labyrinthdichtungen und Gleitlagern aufgrund hoher
Schwingungsamplituden im Betrieb, aber auch im Hoch- Auslaufbetrieb.
Turbosatzes im Leistungsbetrieb oder bei bestimmten
Betriebszuständen zu reduzieren.
Wie schon an anderer Stelle beschrieben ist
das Schwingungsverhalten der wichtigste
Indikator für den Zustand des „rotating
equipments“ [1]. So wird ein Laufverhalten
mit niedrigen und gut reproduzierbaren
Amplituden mit geringem Verschleiß und
einem allgemein guten Zustand von Turbine,
Getriebe und Generator in Zusammenhang
gebracht.
Ein Laufverhalten mit hohen Amplituden an
einzelnen Messstellen oder gar über den gesamten
rotierenden Strang führt oft zu Schäden
an der Maschine, aber auch an der Peripherie
der Turbinenanlage. Um nur einige
Beispiele zu nennen, können beschädigte
Dichtbereiche, zerstörte Gleitlager und Lagerfixierungen
oder gar katastrophale Wellenrisse
Folgen von dauerhaft hohen Schwingungsamplituden
sein (B i l d 2 ). Aber auch
die Auswirkungen auf die Peripherie des
Turbostrangs sind nicht zu unterschätzen. So
konnte der Verfasser kürzlich an der sogenannten
Laterne bzw. dem Antrieb der Stellventile
einer MD-Teilturbine, Amplituden
von über 100 mm/srms messen. Wenn solche
Amplituden und deren Wirkungen über
Monate zugelassen werden, ist fast zwangsläufig
mit Beschädigungen am Ventilsitz,
Spindel oder Führung des Stellventils zu
rechnen.
Eine häufige Motivation für die Reduzierung
der Schwingungsamplituden stellt die
Einhaltung von bestimmten Schwingungsgrenzwerten
dar. Diese Grenzwerte, deren
Überschreitung vermieden werden sollen,
können aus verschiedenen Quellen und Annahmen
entwickelt worden sein. Dazu gehören
vertragliche Vereinbarungen, die zum
Beispiel bei Revisionsarbeiten an der Gesamtanlage
oder Einzelkomponenten (Modulrevision)
vereinbart wurden, genauso,
wie vereinbarte Schwingungsgrenzwerte
bei Neubau oder Retrofit von Anlagen. Meist
werden dabei die Zonengrenzwerte in den
Anhängen der Normenreihe DIN ISO 20816-
ff herangezogen. Leider wird die Bedeutung
dieser Normen in der Diskussion oft nur auf
diese Grenzwerte im Anhang der Normen
reduziert. Dabei enthalten diese Normen
viel mehr sinnvolle Anmerkungen zum
Schwingungsverhalten, als nur die reinen
Grenzwerte der wenig aussagekräftigen Gesamtschwingungswerte.
Meist wurden an den Anlagen die Alarmgrenzen
in der Leittechnik nach Vorgabe des
Turbinenherstellers oder aus langjähriger
Betriebserfahrung auf ein Niveau gesetzt,
welches bei geänderten Betriebszuständen
oder nach Anlagenmodifikation jetzt häufig
überschritten wird. Oftmals geht es aber
auch darum, einen störungsfreien Betrieb
der Anlage bzw. die Verfügbarkeit sicher zu
stellen, ohne das Risiko einzugehen, dass
die Schwingungsschutzeinrichtung die Anlage
bei Betrieb, im Hochlauf bzw. beim
Durchfahren der kritischen Drehzahlen abschaltet.
In Fällen, wenn das Schwingungsverhalten
sich also mit der Zeit, nach einer Maßnahme
oder durch geänderte Betriebsrandbedingungen
geändert hat, wird oft schnell das
Betriebsauswuchten als Abhilfemaßnahme
genannt. Hierbei muss aber darauf hingewiesen
werden, dass vor dem Betriebsauswuchten
unbedingt eine Analysephase notwendig
ist, um die eigentliche Ursache der
Schwingungsveränderung einzugrenzen.
Analyse! Unbedingt
notwendig!
Um eine solche Analyse des Schwingungsverhaltens
zu gewährleisten, ist es notwendig
zumindest zeitweise ein Schwingungsdiagnosegerät
mit Anwendung der Ordnungsanalyse
anzuschließen, oder besser auf eine
vorhandene, fest installierte Einrichtung
zurück zu greifen.
Aber warum ist es so wichtig eine Schwingungsdiagnoseeinrichtung
zu verwenden?
Warum reichen da nicht die umfangreichen
Informationen aus der Leittechnik?
In der Leittechnik bzw. der Schwingungsschutzeinrichtung
wird der sogenannte Gesamtschwingungswert
angezeigt, der zwar
ein gutes Maß für eine globale Sichtweise
darstellt und für die Alarmierung bzw. Abschaltung
der Anlage geeignet, für die Analyse
vor einer Betriebsauswuchtung aber
absolut untauglich ist.
Eine geeignete, installierte Schwingungsdiagnoseeinrichtung
ist in der Lage, das Gesamtschwingungssignal
in seine Bestandteile
zu zerlegen und so klare Aussagen über
die Ursache der Schwingungsamplitude zu
geben. Diese Betrachtungsweise der einzelnen
Anteile bezogen auf die jeweilige Frequenz
stellt die frequenzselektive Analyse
dar. Bezogen auf unser Hauptthema „Betriebsauswuchten“
kann hieraus die wichtige
Information gezogen werden, ob die
Schwingungsamplituden an der betreffenden
Anlage überhaupt auswuchtbar sind.
Große Vorteile haben fest installierte Diagnosesysteme
an der betreffenden Anlage,
die die Daten bereits seit Jahren gesammelt
haben und eine Erkennbarkeit signifikanter
Abweichungen zu einem frühen Zeitpunkt
ermöglicht. Wenn dieses Diagnosesystem,
wie beispielsweise beim STUDIS-SE, über
eine fortschrittliche Korrelationsrechnung
und Langzeitspeicher der Daten verfügt,
sind ideale Analysevoraussetzungen gegeben.
Generell können nur Anteile mit der sogenannten
1f (1x, 1n) drehharmonischen
Drehfrequenz durch das Auswuchten beeinflusst
werden. Als Beispiel kann nur der
50 Hz Anteil der Schwingungsamplitude an
einer Dampfturbine mit Nenndrehzahl
3.000 1/min durch das Betriebsauswuchten
beeinflusst bzw. reduziert werden. Alle anderen
Anteile lassen sich durch eine Gewichtssetzung
nicht beeinflussen! Aber welche
anderen Anteile des Gesamtschwingungswertes
könnten denn bei einer
Dampfturbine betroffen sein?
In der Praxis können hohe Schwingungen
durch Dampfanfachung, Mischreibung im
Gleitlager (bis zur Zerstörung), sogenannte
Ölinstabilitäten oder eine massiv gestörte
Ausrichtung beobachtet werden. All diese
Fehler oder Eigenschaften, die zum Teil
kostspielige Schäden und lange Ausfallzeiten
verursachen können, sind nicht durch
das Betriebsauswuchten zu beeinflussen, da
hier die 1f drehharmonischen Schwingungsanteile
nur eine untergeordnete Rolle spielen.
Wir müssen uns also bei der Relevanz für
das Betriebsauswuchten auf Fehler konzentrieren,
die sich im 1f drehharmonischen
Anteil bemerkbar machen. Aber auch beim
Vorliegen von 1f drehharmonischen Amplituden
müssen Einschränkungen gemacht
werden. Grundsätzlich sollte nur dann gewuchtet
werden, wenn reproduzierbare
Schwingungsamplituden vorliegen. Reproduzierbar
heißt in diesem Falle, dass aus
vergleichbaren Betriebsrandbedingungen
immer sehr ähnliche Schwingungswerte resultieren.
Noch dazu sollten diese Werte bei
konstanten Randbedingungen auch auf stabilem
Niveau bleiben. Wenn dies gegeben
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